I Institutt for konstruksjonsteknikk
Fakultet for ingeniørvitenskap og teknologi
NTNU- Norges teknisk- naturvitenskapelige universitet
MASTEROPPGAVE 2008
FAGOMRÅDE:
Konstruksjonsteknikk
DATO: 11. juni 2008 ANTALL SIDER: 143 + 45
TITTEL:
Bruk av rustfri armering i betong
Use of stainless steel reinforcement in concrete
UTFØRT AV:
Helene Hope Bjørnsen Marte Næss
FAGLÆRER: Øystein Vennesland
VEILEDER(E): Øystein Vennesland og Terje Kanstad UTFØRT VED: Institutt for konstruksjonsteknikk SAMMENDRAG:
I denne rapporten er det først en litteratur studie det blir satt fokus på armeringskorrosjon og rustfri armering.
Andre del består av måling i laboratorium. Målingene ble gjennomført på betongprøver med karbon, 1.4301, 1.4436 og 1.4462 armering med forskjellige mengder kloridinnhold. Først ble stålets potensial målt for å kunne si noe om sannsynligheten for at armeringen korroderer. Denne metoden fungerte greit for både rustfri og karbon armering. Etter disse målingene skulle korrosjonshastigheten bli målt. Dette ble gjort ved metoden lineær polarisasjonsresistans (LPR- metoden). Her ble det litt problemer. For karbon armering ble det tilfredsstillende verdier, men for rustfri armering endte det med noe ustabile verdier og det var vanskelig å trekke noen konklusjoner. Det kan vise seg at LPR-metoden for å måle korrosjonshastighet ikke fungerer like bra på rustfritt stål som med karbon stål.
I siste del av rapporten ble kostnader for rustfri og karbon armering sammenlignet. Det ble tatt utgangspunkt i en fiktiv bru hvor det ble beregnet nødvendig armering når det ble tatt i bruk bare rustfri armering og bare karbon armering. Resultatene viste at til tross for at duplex armering er nesten 12 ganger så dyrt i pris/kg, endte kostnadene for bruen med rustfri armering nesten 6 ganger så dyrt enn når hadde karbon armering. I denne delen blir også levetidskostnader for en betongkonstruksjon kommentert med tanke på blant annet reparasjoner en kan forvente seg med tanke på korrosjon av karbon armering.
TILGJENGELIGHET ÅPEN
II
III Institutt for konstruksjonsteknikk
FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI
NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
MASTEROPPGAVE 2008
for
Helene Hope Bjørnsen og Marte Næss
Bruk av rustfri armering i betong
Use of Stainless Steel Reinforcement in Concrete Oppgaven går ut på å undersøke bestandighetsegenskaper for rustfri armering mhp armeringskorrosjon initiert av klorider.
Oppgaven er delvis en litteraturoppgave med innhenting av informasjon og data for de mest sannsynlige typer armeringsstål. I den grad det kan finnes data for utførte eller planlagte konstruksjoner med rustfri armering er det en viktig del av oppgaven å finne relevant informasjon. Det er også aktuelt å vurdere rustfri armering mhp levetid av en
betongkonstruksjon. Aktuelle parametre er da kostnader for rustfri armering og mengde rustfri armering som anvendes.
Det vil spesielt være av interesse å vurdere kostnader for en gitt konstruksjon og å variere mengden rustfri armering for denne konstruksjonen. Konstruksjonen kan være en kai eller brukonstruksjon som de mest aktuelle.
Det er også aktuelt å gjøre målinger på ca 2 år gamle utstøpte prøver med forskjellige kloridinnhold og forskjellige typer rustfri armering. Mest aktuelt er å måle
korrosjonshastigheten og korrosjonspotensialer.
Besvarelsen organiseres i henhold til gjeldende retningslinjer.
Veileder(e): Øystein Vennesland og Terje Kanstad
Besvarelsen skal leveres til Institutt for konstruksjonsteknikk innen 16. juni 2008.
NTNU, 21. januar, 2008
Øystein Vennesland faglærer
IV
V
Institutt for konstruksjonsteknikk
FAKULTET FOR INGENIØRVITENSKAP OG TEKNOLOGI
NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet
Vedrørende oppgaven ”Bruk av rustfri armering i betong” for Helene Hope Bjørnsen og Marte Næss
I oppgaven inngikk måling av korrosjonshastighet på ca 2 år gamle prøver med forskjellige kloridinnhold og med forskjellige typer armering. Som metode for bestemmelse av
korrosjonshastighet ble det valgt måling av polarisasjonsmotstand. Dessuten ble korrosjonspotensialene avlest.
Det viste seg problematisk å få fornuftige verdier med korrosjonshastighetsmålingene og studentene brukte ekstra lang tid til å få fram verdier som samsvarte med potensialmålingene.
Potensialmålingene syntes å gi fornuftige verdier, mens altså måling av polarisasjonsmotstand var vanskelig. Spesielt var det dårlig samsvar mellom potensialene og korrosjonshastighetene for høylegerte stål, for eksempel Duplex-stålene.
Det ble besluttet at korrosjonsegenskapene for de forskjellige stålene skulle baseres først og fremst på potensialmålingene og i mindre grad på målingene av korrosjonshastighet.
Beslutningen ble tatt i samråd mellom veileder Øystein Vennesland og studentene. Hensikten var at oppgavens øvrige punkter skulle kunne gjennomføres på forsvarlig måte.
Det må legges til at selve målingene (av korrosjonshastighet) tok ekstra lang tid.
Øystein Vennesland faglærer
VI
VII
RUST’S A MUST
Mighty ships upon the ocean Suffer from severe corrosion, Even those that stay at dockside Are rapidly becoming oxide Alas that piling in the sea is mostly Fe2O3,
And where the ocean meets the shore You’ll find there’s Fe3O4,
`Cause when the wind is salt and gusty Things are getting awful rusty.
We can measure we can test it, We can halt it or arrest it, We can gather it and weigh it, We can coat it, we can spray it, We examine and dissect it, We cathodically protect it, We can pick it up and drop it,
But heaven know, we’ll never stop it.
So here’s to rust, no doubt about it, Most of us would starve without it.
T.R.B Watson, June 1974
`Corrosion Control Servives`
VIII
IX
FORORD
Siste semester av masterstudiet skal alle studenter ved Bygg- og Miljøteknikk jobbe med masterprosjekt. Prosjektet ble tatt ut ved Instituttet for konstruksjonsteknikk ved Norges Teknisk- Naturvitenskapelige Universitet.
I løpet av dette semesteret ønsket vi begge å jobbe med en oppgave som var litt annerledes enn hva vi har jobbet med de siste ni semestrene, og bestemte oss da for problemstillingen
”Bruk av rustfri armering i betong”.
Vi vil gjerne takke vår veileder, professor Øystein Vennesland, for hans gode råd, veiledning og faglige støtte. Vi vil også rette en takk til stipendiat Ueli Angst for hans verdifulle innspill og hjelp med våre målinger i laboratoriet.
Til slutt ønsker vi å takke professor Terje Kanstad for hans hjelp og veiledning vedrørende prosjektering av bro.
Denne rapporten er et resultat av et samarbeid mellom Marte Næss og Helene Hope Bjørnsen, og vil benytte denne anledningen til å takke hverandre for et godt samarbeid.
Trondheim, 11 juni 2008
__________________________ __________________________
Helene Hope Bjørnsen Marte Næss
X
XI
SAMMENDRAG
Denne masteroppgaven handler om bruk av rustfritt stål som armering i betongkonstruksjoner. Oppgaven består av tre hoveddeler. Den første delen er en litteraturstudie, med hovedvekt på armeringskorrosjon og rustfritt stål, som danner ett informasjonsgrunnlag for resten av oppgaven.
Andre del består av målinger i laboratorium, og bygger på betongprøver som ble støpt i forbindelse med en masteravhandling fra 2006. I alt 79 betongprøver med varierende stål typer; karbonstål, 1.4301, 1.4436 og 1.4462 og kloridinnhold gitt som vektprosent; 0%, 2%, 4%, 6%, 8% og 10%. Det ble gjennomført målinger av korrosjonspotensialet og korrosjonshastighet av samtlige prøver.
Ut fra målinger av korrosjonspotensialet kan det virke som at det kun er vanlig sort stål som har begynt korrosjonsprosessen. Alle prøvene med rustfritt stål, samt karbon stål uten innblandede klorider, viser at det er mindre enn 10 % sannsynlighet for korrosjon. Av alle legeringene er det imidlertid duplex stål som kommer best ut med de laveste potensialverdiene.
Når det gjelder måling av korrosjonspotensialet synes vi det var vanskelig å tolke resultater vi fikk ved bruk av LPR-metoden på rustfritt stål. Med de innstillingene vi benyttet kan det som om denne metoden egner seg dårlig på rustritt stål, spesielt av typen 1.4462, duplex stål.
Del tre omhandler vurdering av kostnader ved å ta i bruk rustfri armering kontra karbon armering. Her tar vi utgangspunkt i armeringsberegninger for en bro, og sammenligner initialkostnadene ved å bytte ut karbon armering med rustfri armering. Det viser seg at ved å bytte ut 100 % av karbon stålet med duplex stål, ble initialkostnadene for armeringen omtrent 5,6 ganger så dyrt. Ved å bytte ut karbon stålet med austenitisk stål ble det omtrent 3,5 ganger så dyrere. Videre diskuterer vi kostnader en kan forvente seg i løpet av konstruksjonens levetid på grunn av ekstra kostnader som kommer av armeringskorrosjon, når en tar i bruk karbon armering. Vi argumenterer for at det til tross for høyere innitalkostnader vil lønne seg med bruk av rustfritt stål i det lange løp.
XII
XIII
INNHOLDSFORTEGNELSE
FORORD...IX SAMMENDRAG ...XI INNHOLDSFORTEGNELSE ... XIII TABELLER ...XVII FIGURER... XIX
1 Innledning... 1
DEL 1 LITTERATUR 2 Innledning del 1... 5
3 Armeringskorrosjon ... 6
3.1 Generelt om armeringskorrosjon... 6
3.2 Armeringskorrosjon initiert av klorider ... 9
3.3 Pittingkorrosjon... 12
3.4 Galvanisk korrosjon ... 14
4 Rustfri armering ... 15
4.1 Innledning... 15
4.2 Generelt om rustfritt stål ... 16
4.2.1 Klassifisering... 19
4.3 Mekaniske egenskaper ... 21
4.3.1 Flytegrense og strekkegenskaper ... 21
4.3.2 Duktilitet... 22
4.3.3 E-modul... 23
4.3.4 Temperaturegenskaper ... 23
4.3.5 Utmatting... 24
4.3.6 Betongkvalitet ... 24
4.3.7 Rissvidde ... 24
4.3.8 Overdekning ... 25
4.4 Selektiv bruk ... 29
4.4.1 Kobling av karbon armering og rustfri armering ... 29
5 Beskyttelse og reparasjon av betong ... 31
5.1 Reparasjon av betong ... 31
5.1.1 Mekanisk reparasjon ... 31
5.1.2 Elektrokjemiske vedlikeholds- og reparasjonsmetoder... 31
5.2 Beskyttelse mot armeringskorrosjon... 34
5.2.1 Katodisk forebygging... 34
5.2.2 Inhibitorer... 35
5.2.3 Overflatebehandling av betong ... 36
DEL 2 MÅLINGER I LABORATORIUM 6 Innledning del 2... 41
7 Utgangspunkt ... 42
8 Forventninger ... 44
9 Potensialmålinger ... 45
9.1 Innledning... 45
9.2 Korrosjonspotensial... 46
9.3 Praktisk utførelse av potensialmålinger i laboratorium: ... 48
XIV
9.4 Resultater... 49
9.4.1 Resultater fra samtlige målinger ... 49
9.4.2 Gjennomsnittsresultater... 51
9.5 Tolkning av potensialmålinger... 52
9.6 Sammendrag potensialverdier ... 58
10 Korrosjonshastighet... 59
10.1 Innledning... 59
10.2 LPR-metoden ... 61
10.3 Praktisk utfølelse av måling av korrosjonshastighet i laboratorium: ... 63
10.4 Resultater... 65
10.4.1 Første måling... 65
10.4.2 Andre måling... 67
10.4.3 Tredje måling ... 68
10.4.4 Målinger gjennomført av Ueli Angst ... 68
10.5 Tolkning av resultater ved måling av korrosjonshastighet... 70
10.5.1 Generelt ... 70
10.5.2 Legeringer ... 74
10.6 Sammendrag korrosjonshastighet ... 79
10.6.1 Usikkerhetsfaktorer ... 79
10.6.2 Diskusjon... 79
11 Konklusjon del 2 ... 81
DEL 3 KOSTNADER 12 Innledning del 3... 85
13 Prosjektering av brukonstruksjon i armert betong ... 86
13.1 Innledning... 86
13.2 Minimumsoverdekning ... 87
13.2.1 Miljøpåvirkning... 87
13.2.2 Minimumsoverdekning sort armering... 87
13.2.3 Minimumsoverdekning rustfri armering ... 87
13.3 Geometri... 88
13.4 Laster... 89
13.4.1 Beregningsforutsetninger ... 89
13.4.2 Egenvekt... 89
13.4.3 Trafikklast ... 89
13.4.4 Lastkoeffisienter... 91
13.5 Lasttilfeller ... 92
13.6 Krefter ... 93
13.6.1 Bruddgrense ... 93
13.6.2 Bruksgrense... 93
13.7 Nødvendig rustfri og karbon armering grunnet opptredende moment... 94
13.7.1 Minimumsarmering... 94
13.7.2 Armering ... 94
13.7.3 Rissvidde ... 95
13.7.4 Beregning av nødvendig rustfri armering grunnet opptredende moment ... 97
13.8 Resultater fra beregning av rustfri armering og karbon armering... 114
13.8.1 Rustfri armering ... 114
13.8.2 Karbon armering ... 114
13.8.3 Beregning av nødvendig karbon armering for å holde risskrav ... 116
13.9 Oppsummering av nødvendig rustfri og karbon armering ... 125
XV
13.9.1 Oppsummering rustfri armering... 125
13.9.2 Oppsummering karbon armering ... 125
13.10 Initialkostnader for armering... 126
13.10.1 Lengder... 126
13.10.2 Mengder ... 127
13.10.3 Tyngde... 131
13.10.4 Totale initialkostnader... 131
14 Kostnader ... 132
14.1 Innledning... 132
14.1.1 Kostnader ved reparasjoner på grunn av armeringskorrosjon... 132
14.1.2 Kostnader ved forebyggende tiltak mot armeringskorrosjon... 133
14.2 Levetidskostnader... 134
14.3 Kommentar til beregning av armeringskostnad ... 135
15 Diskusjon del 3... 137
16 Oppsummering ... 139
17 Forslag til videre arbeid... 141
18 Referanser... 142 VEDLEGG A ... A.1 VEDLEGG B ... B.1
XVI
XVII
TABELLER
Tabell 3.1 Grenser for kloridterskel /3/... 10
Tabell 4.1 Oversikt over relevante stållegeringers kjemiske sammensetning /6/ ... 18
Tabell 4.2 Sammendrag av aktuelle ståltypers materialegenskaper /6/ ... 23
Tabell 4.3 Tetthet og utvidelseskoeffisient for ulike legeringer /6/ ... 23
Tabell 4.4 Minimumsoverdekning av hensyn til heft/forankring /11/ ... 25
Tabell 4.5 Minimumsoverdekning av hensyn til heft/forankring /12/ ... 25
Tabell 4.6 Minimumsoverdekning av hensyn til korrosjonsbeskyttelse /11/... 26
Tabell 4.7 Minimumsoverdekning av hensyn til korrosjonsbeskyttelse /13/... 27
Tabell 4.8 Anbefalt armeringskvalitet ved ulike bruksområder /9/ ... 29
Tabell 5.1 Skadesituasjonens betydning for reparasjonsmetodene /2/... 32
Tabell 5.2 Konstruksjonsmessige forhold på reparasjonsmetodene /2/ ... 33
Tabell 7.1 Anvendte stållegeringer med tilhørende diameter ... 42
Tabell 7.2 Oversikt over antall prøver med varierende legering og kloridinnhold... 42
Tabell 9.1 Samtlige gjennomførte potensialmålinger ... 49
Tabell 9.2 Gjennomsnittsverdier av samtlige gjennomførte potensialmålinger ... 51
Tabell 9.3 Sannsynlighet for korrosjon ved ett gitt potensial, i forhold til HgCl/KCl- elektroden /1/... 52
Tabell 9.4 Alle prøver med rustfri armering med en differanse mellom to målinger større enn 100 mV... 55
Tabell 9.5 9.6 Alle prøver av karbon armering med en differanse mellom to målinger større enn 100 mV ... 56
Tabell 10.1 Sannsynlig korrosjonsnivå ved gitt verdier av ipit /14/... 63
Tabell 10.2 Første måling av korrosjonshastighet ... 65
Tabell 10.3 Andre måling av korrosjonshastighet ... 67
Tabell 10.4 Tredje måling av korrosjonshastighet ... 68
Tabell 10.5 Måling av korrosjonshastighet gjennomført av Ueli Angst ... 68
Tabell 13.1 Lastkoeffisienter ved bruddgrense /11/... 91
Tabell 13.2 Lastkoeffisienter ved bruksgrense /11/ ... 91
Tabell 13.3 Maks krefter i bruddgrense, med rustfri armering ... 93
Tabell 13.4 Maks krefter i bruddgrense, med sort armering... 93
Tabell 13.5 Maks krefter i bruksgrense, rustfri armering ... 93
Tabell 13.6 Maks krefter i bruksgrense, sort armering ... 93
Tabell 13.7 Faktorer som inngår i formelen til momentkapasitet /18/... 95
Tabell 13.8 Armering og rissvidder i felt og støtte, rustfritt stål... 114
Tabell 13.9 Armering og rissvidder i felt og støtte, karbon stål... 115
Tabell 13.10 Total rustfri armering ... 125
Tabell 13.11 Total karbon armering... 125
Tabell 13.12 Mengder av minimumsarmering med rustfri armering... 130
Tabell 13.13 Øvrige armeringsmengder med rustfri armering ... 130
Tabell 13.14 Mengder av minimumsarmering med karbon armering ... 130
Tabell 13.15 Øvrige armeringsmengder med karbon armering ... 130
Tabell 13.16 Totale tyngder av armeringen ved ulike legeringer ... 131
Tabell 13.17 Totale priser for armering ved ulike legeringer ... 131
Tabell 14.1 Indikative kostnader ved ulike reparasjonsmetoder av betong /1/... 132
Tabell 14.2 Kostnader gitt i mill. DKK for henholdsvis rustfri og vanlig armering /6/ ... 134
Tabell 14.3 Kostnad ved 20% duplex armering... 136
Tabell 14.4 Kostnad ved 40% duplex armering... 136
XVIII
XIX
FIGURER
Figur 3.1 Forløpet av armeringskorrosjon /1/ ... 9
Figur 3.2 Skjematisk fremstilt polarisasjonskurve som illustrerer betingelser for når pitting kan oppstå /5/ ... 12
Figur 3.3 Variasjon i pittingpotensial for rustfritt stål som en funksjon av potensial/kloridinnhold /3/ ... 13
Figur 4.1 /9/ Til venstre: arbeidsdiagram for stål med markert flytegrense... 21
Figur 4.2 Spennings/tøyningskurve for stål av ulike legeringer /6/ ... 22
Figur 5.1 Levetid ved vedlikehold av en betongkonstruksjon ... 35
Figur 7.1 Eksempel på en lollipop-prøve ... 43
Figur 9.1 Illustrasjon av måling av korrosjonspotensialet på betongoverflate /1/ ... 47
Figur 9.2 Bilde tatt mens vi gjennomførte målig med voltmeteret ... 48
Figur 9.3 Polarisasjonskurve av stål i ikke-karbonatisert betong uten klorider /2/... 53
Figur 9.4 Katode/anode-reaksjoner, til rustfritt stål, som en funksjon av E/i ... 54
Figur 9.5 Eksempel på en prøve bestående av vanlig karbon armering... 56
Figur 10.1 Bilde tatt under utføring av måling med potensiostat... 64
Figur 10.2 Eksempel på uventet plassering av polarisasjonskurven... 71
Figur 10.3 Eksempel på måling med duplex stål hvor polarisasjonskurven heller feil vei... 71
Figur 10.4 Måling av korrosjonshastighet med lineær polarisasjon /5/ ... 72
Figur 10.5 Eksempel på ventet plassering av polarisasjonskurve... 74
Figur 10.6 Eksempel på målinger av 1,4301... 75
Figur 10.7 Eksempel på målinger av 1,4436... 76
Figur 10.8 Eksempel på målinger av 1,4462... 77
Figur 13.1 Lengdesnitt ... 88
Figur 13.2 Tverrsnitt med rustfri armering ... 88
Figur 13.3 Tverrsnitt med vanlig armering ... 88
Figur 13.4 Trafikklaster for lasttype V1 /12/ ... 89
Figur 13.5 Punktlaster i tverretning... 90
Figur 13.6 Flatelast i tverretning ... 90
Figur 13.7 Lasttilfeller 1 /16/ ... 92
Figur 13.8 Lasttilfelle 2 /16/... 92
Figur 13.9 Lasttilfelle 3 /16/... 92
Figur 13.10 Lasttilfelle 4... 92
Figur 13.11 Avstand mellom momentnullpunktene i momentdiagrammet for lasttilfelle 1 i bruddgrense ... 126
Figur 13.12 Armeringsskisse for rustfri armering... 128
Figur 13.13 Armeringsskisse for karbonarmering ... 129
Figur 14.1 Tillatt kloridnivå på betongens overflate, før det er fare for korrosjon /3/... 133
XX
1
1 Innledning
Vi valgte denne problemstillingen fordi vi synes den virket veldig interessant. I løpet av de ni siste semestrene har vi sittet mye med beregninger, og kunne tenke oss å benytte masteroppgaven til å prøve oss på noe litt annerledes. Rustfri armering er noe vi kjenner lite til, men som vi begge har lyst til å finne ut mer om.
I oppgavebeskrivelsen står det beskrevet ulike emner aktuelle for besvarelsen. Det er, til en viss grad, vår oppgave å velge hvordan vi vil vektlegge de ulike emnene.
Hovedtanken bak denne oppgaven er å se hvilke konsekvenser det vil medføre å bytte ut karbon armering med rustfri armering. For å gjøre dette så realistisk som mulig ønsker vi å ta utgangspunkt i en bro som kunne vært prosjektert med rustfri armering.
Vi ønsker et godt dokumentert grunnlag for hvilke type legeringer av rustfritt stål som egner seg best som armering, samt hva dette utgjør i pris.
I tillegg til å lese oss opp på hvilke erfaringer andre har angående bruk av rustfri armering, ønsker vi å selv gjennomføre korrosjonsmålinger av aktuelle betongprøver. I den anledning har vi behov for mer kjennskap til problemstillinger rundt armeringskorrosjon, deriblant ulike målemetoder. Utgangskunnskapene våre om rustfri armering er ganske begrensede så innsamling av aktuell litteratur rundt dette temaet er nødvendig.
For å bedre kunne sette oss inn i hvilke løpende kostnader som vil oppstå på en bro i løpet av levetiden vil vi sette oss inn i ulike tiltak for å forhindre armeringskorrosjon, samt reparasjon når korrosjon har oppstått. I tillegg vil vi undersøke priser for de ulike tiltak- og reparasjonsmetodene.
Ut fra dette endte vi oppmed tre hoveddeler. Første del er én litteraturstudie hvor vi tilegner oss en bredere kunnskap om armeringskorrosjon og rustfritt stål. Andre del omhandler målinger i laboratorium med påfølgende resultater og tolkning av disse. Tredje del består av kostnadsberegninger med utgangspunkt i initial– og levetidskostnader til en bro.
2
3
DEL 1
LITTERATUR
4
5
2 Innledning del 1
Denne delen av oppgaven vil bestå av innsamling av aktuell litteratur. Litteraturstudiet begynner med generell informasjon vedrørende armeringskorrosjon. Det legges særlig vekt på korrosjonsprosesser, korrosjon initiert av klorider og pittingkorrosjon.
Videre følger litteratur om rustfritt stål. Her er det fokus på mekaniske egenskaper, klassifisering samt kjemiske sammensetninger av legeringer aktuelt når det gjelder armering.
Har blant annet sammenlignet kravene til overdekning til rustfritt kontra vanlig armering.
Prinsippet om selektiv bruk vil også nevnes under denne delen.
Til slutt ses det på problemstillingen rundt reparasjoner av skadet betong og armering. Her finnes informasjon om mekaniske og elektrokjemiske reparasjonsmetoder samt ulike beskyttelsesmetoder for å hindre inntrengning av klorider og dermed initiering av armeringskorrosjon.
6
3 Armeringskorrosjon
Dersom ikke annet er angitt er opplysninger under kapittel 3 hentet fra lærerboken i betongteknologi, Bestandighet, vedlikehold og reparasjon av betongkonstruksjoner /1/.
3.1 Generelt om armeringskorrosjon
De to viktigste årsakene til armeringskorrosjon er inntrengning av klorider og karbonatisering av betong. Klorider kommer fra salting av veier, og for marine konstruksjoner også fra saltvann. Korrosjon av armering fører til store skader, og koster samfunnet betydelige ressurser.
Ulike miljøfaktorer har stor innvirkning på materialenes bestandighet. Det er derfor viktig å ta for seg miljøet konstruksjonen skal stå i, for best å kunne prosjektere konstruksjonen for miljøet den er utsatt for. De viktigste miljøene kan, i følge betongelementboka bind D /2/, deles inn i:
Atmosfære -relativ fuktighet -luftforurensninger -saltinnhold
-surhetsgrad (pH)
Klima -nedbør
-temperatur -vind Vann -surhetsgrad -hardhet
-innhold av salter og gasser -temperatur
-utskiftningshastighet
Annet -lokale forekomster av røyk, avgasser og kjemikalier /2/.
Korrosjon er en elektrokjemisk prosess som er avhengig av en anode, katode, elektrolytt og metallisk kontakt.
7 Anodeprosessen
Ved anoden skjer det en oksidasjon, det vil si frigivelse av elektroner. Jernet går i oppløsning og dette skjer etter ligningene:
Fe = Fe2+ + 2e- (1.1)
Fe + 2H2O = HFeO2- + 2e- (1.2)
Katodeprosessen
Ved katoden skjer det en reduksjon av oksygen og her blir elektroner tatt opp. Det er her
”motoren” i korrosjonsprosessen er, og de vanligste prosessene er reduksjon av oksygen og skjer etter ligning:
1/2O2 + H2O + 2e- = 2OH- (1.3)
og reduksjon av hydrogen som skjer etter ligning:
2H+ + 2e- = H2 (1.4)
Med disse betingelsene oppfylt dannes en galvanisk celle. Transporten av elektronene skjer i armeringen og går fra anoden, hvor de blir tilgjengelige, til katoden hvor de blir tatt opp.
Mens hydroksidionene går gjennom betongen via ionene i porevannet til anoden og det dannes jernhydroksid. Den totale korrosjonsreaksjonen blir:
Fe + 1/2O2 + H2O = Fe2+ + 2OH- (1.5)
Det siste leddet kan skrives:
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2 (1.6)
Fe(OH)2 (jernhydroksid) oksideres videre til forskjellige oksider og hydroksider som er kjent under fellesbetegnelsen rust. Hvilke typer oksider og hydroksider som dannes er først og fremst avhengig av tilgangen på oksygen.
Som man kan se av reaksjonsligningene er korrosjon avhengig av tilgangen på 02 og H20.
Dette ser en ved å benytte seg av Le Chateliers prinsipp, som sier at likevekt alltid vil innstille seg ved forandring av noen av delkomponentene. Er det for eksempel en reduksjon av oksygen eller vann i ligning (1.5), vil dette føre til at reaksjonen går mot venstre for å innstille ny likevekt. Vi får altså da mindre korrosjon. På samme måte vil en få økt korrosjon dersom det blir en reduksjon av noen av komponentene på høyre side av ligningen.
Ved korrosjon skjer det fire prosesser som må skje med samme hastighet. Den anodiske strømmen Ia, det vil si antall elektroner som blir frigitt, den katodiske strømmen Ik, det vil si
8 antall elektroner som blir tatt opp, strømmen som går i metallet fra katoden til anoden Im og strømmen som går i betongen fra anoden til katoden Ib må alle være like store.
Korrosjonsstrømmen er da:
Ikorr = Ia = Ik = Im = Ib
Korrosjonshastigheten blir bestemt av den tregeste av en av disse delprosessene. Strømmen som går gjennom metallet er aldri en sen prosess da den elektriske motstanden i metallet er lav sammenlignet med den elektriske motstanden i betongen. Denne strømmen vil derfor aldri bestemme korrosjonshastigheten. De tre andre prosessene kan bestemme hastigheten korrosjon skjer i, og ved enkelte spesielle tilstander i betongen er hastigheten disse prosessene holder neglisjerbar. Korrosjon er neglisjerbar når en av disse tilstandene er oppfylt:
• Den anodiske prosessen er treg fordi stålet er passivt, som når betongen er karbonatisert eller ikke inneholder noen klorider.
• Den katodiske prosessen er treg fordi hastigheten til oksygen inn til overflaten til stålet er treg, som i vannmettet betong.
• Betongens elektriske motstand er høy /3/
9 3.2 Armeringskorrosjon initiert av klorider
Fersk betong inneholder stor andel kalsiumhydroksid, Ca(OH)2. Kalsiumhydroksid dannes når sement reagerer med vann. Ca(OH)2 splittes i ionene Ca2+ og (OH)-, og likevekten av (OH)- i porevannet forskyves slik at mengden (OH)- øker og pH-nivået blir høyt. Porevannet inneholder fra før alkalimetall-ionene Na+ og K+ som er med på å gi ekstra økning av pH- nivået i betongen. Dette gjør at pH-nivået i normal betong ligger i størrelsesområdet 13-14. På grunn av betongens høye pH, danner det seg en oksid film rundt armeringen, som beskytter stålet mot korrosjon. En sier at armeringen blir passivert. Når en har rustfritt stål som armering, dannes det en passiv film om stålet på grunn av de ulike legeringskomponentene.
Denne filmen er mer stabil enn filmen som dannes om vanlig karbon armering på grunn av betongens alkaliske miljø. Passiveringen kan oppheves ved karbonatisering av betong, eller for høyt innhold av klorider.
Når det gjelder inntrengning av klorider i betong er Norges kystklima sentralt.
Betongkonstruksjonene oversprøytes mer eller mindre kontinuerlig av saltvann, og det er ikke til å unngå at klorider trenger inn i betongen, videre inn til armeringen og føre til korrosjon av armeringen. Den siste tiden har det også blitt satt fokus på salting av veier og hva dette fører til for betongkonstruksjoner. Blant annet ser vi biler trekker med seg snø og is med klorider inn i garasjeanlegg og dette kan føre til armeringskorrosjon. En ser i dag at en stor vedlikeholdsutfordring med tanke på armeringskorrosjon er bruer som er utsatt for veisalting.
Levetiden for en betongkonstruksjon i et aggressivt miljø består av to tidsperioder;
initieringsperioden (startfasen) og utviklingsperioden.
Figur 3.1 Forløpet av armeringskorrosjon /1/
I startfasen skjer det prosesser som bryter ned den passive filmen til det innstøpte stålet. Dette vil skje dersom kloridinnholdet i betongen ved armeringen kommer over en kritisk verdi.
Tidsperspektivet varierer sterkt, og initieringsperioden kan vare fra ”null” til flere tiår. I
10 utviklingsfasen er den passive filmen brutt ned, korrosjonen er startet og eventuelle skader kan oppdages. Stålet kan være i utviklingsfasen uten synlige skader på overflaten.
Det er to måter klorider kan komme inn i betongen på:
1. Innblanding ved produksjonen.
Dette skjer enten bevisst ved bruk av kloridbasert katalysator, eller ubevisst ved kloridholdige delmaterialer. Etter de siste årenes fokusering på kloridinnhold i betong, er dette problemet av mindre betydning for nye konstruksjoner. For eldre konstruksjoner må en være på vakt for store mengder klorider i betongen, da det for noen år siden ble brukt kloridholdige tilsetningsstoffer.
2. Diffusjon/inntrengning fra ekstern kilde.
Dette skjer så lenge betongkonstruksjoner er i kontakt med kloridholdige omgivelser, som sjøvann og/eller tinesalter oppløst i smeltevannet. Klorider kan trenge inn ved diffusjon eller ved kapillær transport av kloridholdig væske eller gass. Det meste av kloridene finnes fritt i porevannet, men noe er bundet opp i faststoffstrukturen.
Diffusjon er et resultat av konsentrasjonsgradienter, mens inntrengning kan være kapillærsuging.
For konstruksjoner i et reelt miljø, vil som oftest en kombinasjon av diffusjon og kapillærsuging være tilfelle.
Kritisk kloridinnhold
Det er ingen helt klare grenser for kloridinnhold i betong med tanke på korrosjon initiert av klorider, men det er blitt satt anbefalte grenser for kritisk nivå av klorider når en har karbon armering:
Tabell 3.1 Grenser for kloridterskel /3/
Kloridinnhold (% av sement) Korrosjonsrisiko
< 0,4 Minimal
0,4 - 1,0 Mulig
1,0 - 2,0 Sannsynlig
> 2,0 Sikker
For rustfri armering er disse grensene høyere, dette blir omtalt i kapittel 3.3, pittingkorrosjon.
11 Det finnes ulike former for korrosjon:
• Uniform/jevn korrosjon
• Pittingkorrosjon
• Galvanisk korrosjon
• Spaltekorrosjon
• Spenningskorrosjon
• Atmosfærisk korrosjon
• Interkrystallinsk korrosjon
• Tretthetskorrosjon
• Spenningskorrosjon
Det er, i følge NonCor /6/, de fem første korrosjonstypene en i praksis kan forvente på rustfritt stål. Under omtaler vi pitting og galvanisk korrosjon fordi disse korrosjonsformene er de mest vanlige for armeringsstål i kloridholdig miljø.
12 3.3 Pittingkorrosjon
Pittingkorrosjon skyldes alltid klorider. Pitting er lokale angrep på armeringen, på små flater og i store dybder. Den konstruktive faren er stor ved pitting da korrosjonen er vanskelig å oppdage for det kan bare se ut som små hull i overflaten, mens det er stor skade inni metallet.
Ved pitting kan det gå kort tid før armeringen blir tært bort, sammenlignet med når korrosjonen er jevnt fordelt
Pitting oppstår når anodearealet er mye mindre enn katodearealet. I betong med klorider kan rustfri armering oppleve pittingkorrosjon akkurat som med vanlig armering. Pittingkorrosjon oppstår ved et spesielt potensial. Dette potensialet kalles pittingpotensial, Ep, og det synker ved økende kloridinnhold i betongen. Om pitting vil oppstå avhenger av avstanden mellom Ep
og korrosjonspotensialet, Ecorr. Generelt for rustfri armering, uansett legeringssammensetning, kan man si at jo mer edelt Ep er, jo bedre er motstanden mot pittingkorrosjon /5/.
Figur 3.2 illustrerer for hvilke betingelser pitting kan oppstår eller ikke.
Figur 3.2 Skjematisk fremstilt polarisasjonskurve som illustrerer betingelser for når pitting kan oppstå /5/
Når man har rustfri armering kan mottakeligheten for pittingkorrosjon bli uttrykt, på samme måte som svart armering, med pittingpotensialet eller det kritiske kloridnivå. Det kritiske kloridnivået er det nivå klorider som skal til ved et gitt potensial for at korrosjon kan begynne.
Det kritiske kloridnivået og stålets potensial henger sammen, og de er avhengig av den kjemiske sammensetningen og mikrostrukturen til stålet, overflatetilstanden til armeringen og egenskapene til betongen. Den passive filmen til rustfritt stål blir dannet på grunn av de ulike legeringskomponentene, og ikke bare på grunn av betongens høye pH som for vanlig karbon
13 armering. Dette gjør at det passive laget til rustfri armering, i forhold til vanlig armering, er mer stabilt. Dette fører igjen til at rustfritt stål sin motstand mot pitting er mye bedre. Figur 3.3 viser pittingpotensial til forskjellige typer rustfri armering og karbon stål som en funksjon av kloridinnhold. Selv ved 10% kloridinnhold kan man se pittingpotensialer høyere enn 300mV vs SCE for rustfri armering. Mens hos karbon stål synker potensialet til -300mV ved 3% kloridinnhold /3/.
Figur 3.3 Variasjon i pittingpotensial for rustfritt stål som en funksjon av potensial/kloridinnhold /3/
14 3.4 Galvanisk korrosjon
Galvanisk korrosjon oppstår når et edelt metall er i kontakt med et mindre edelt metall. De to ulike metallene må være koblet elektrisk og neddykket i en ledende væske, en elektrolytt. Det edle metallet opptrer som katode mens det minst edle som anode. Spenningsrekken avgjør hvilket metall som er det edle og hvilket som er det ”uedle”. Jo høyere opp i rekken et metall er, jo mer edelt er det. Det er viktig å kjenne til spenningsrekken for å vite om korrosjon vil skje og hvilket metall som vil korrodere når to ulike metaller er koblet sammen i en elektrolytt. Det minst edle metallet som er anode vil bli angrepet, mens det edle metallet som er katode som oftest vil være beskyttet mot korrosjon /5/.
15
4 Rustfri armering
Dersom ikke annet er angitt er opplysninger under kapittel 4 hentet fra NonCor /6/.
4.1 Innledning
Rustfritt stål er, i følge rapport fra NonCor /6/, en fellesbetegnelse på de ståltyper som inneholder minimum 10.5 % Krom (Cr), samt med varierende innhold av blant annet Nikkel (Ni), Molybden (Mo), Karbon (C) og Titan (Ti). Felles for disse ståltypene er at de har bedre korrosjonsmotstand i oksiderende miljøer enn vanlig sort stål.
I følge Acodrain.no /7/ har fenomenet rustfritt stål vært kjent siden begynnelsen av forrige årtusen, men det var rundt slutten av 1. verdenskrig at bruken av rustfritt stål virkelig begynte.
Det ble da hovedsakelig benyttet i maskinkonstruksjoner og kjemisk industri. I dag har rustfritt stål gjort seg uerstattelig i det daglige og brukes til mange formål. Det finnes i alt fra bestikk og kjøleskap til komponenter innenfor industri som for eksempel rør og rustfri armering.
16 4.2 Generelt om rustfritt stål
Når det nå snakkes om rustfritt stål er det viktig å merke seg at dette stålet slett ikke er fullstendig rustfritt, men at det ikke korroderer så lett som vanlig stål. Grunnen til den økte motstandskraften mot korrosjon er blant annet at stålet legeres med krom. Når kromverdien kommer over ett vist nivå dannes det en tynn film rundt stålet. Når denne filmen reagerer med luft dannes det ett beskyttende lag av kromoksider, Cr2O3. Dette fører til at det rustfrie stålet har en lengre passivfase enn vanlig sort stål. I tillegg har filmen den egenskapen at dersom den skulle få en ripe, er den selvreparerende med nok tilgang på oksygen. For øvrig er denne beskyttelsen tynn og gjennomsiktig og vil derfor ikke påvirke stålets utseende. Akkurat hvor høyt krominnholdet bør være strides det om. I følge NonCor /6/ må det minimum være 10.5 % krom for at stålet kan kalles rustfritt.
De øvrige grunnstoffene i stållegeringen, blant annet molybden, nikker og nitrogen, er med på å gi stålet ulike strukturer som gir de spesifikke egenskapene det er behov for.
Sammensetningen av disse grunnstoffene gir stålet blant annet evnen til å tåle høye og lave temperaturer, ikke-magnetiske kvaliteter, gode sveiseegenskaper og større motstand mot inntrenging av klorider.
I følge NonCor-rapporten finnes det fire hovedgrupper innen rustfritt stål:
- Martensittisk - Ferritisk - Austenitisk - Duplex
Videre følger en kort beskrivelse de ulike hovedgruppene, hentet fra stainless steel world /8/.
Martensittisk
Dette var den første typen av rustfritt stål som ble utviklet til kommersielt bruk som bestikk.
Stålet består blant annet av 0.1 – 1.2 % karbon og 12 – 18 % Krom. Dette er et forholdsvis høyt karboninnhold sammenlignet med andre typer av rustfritt stål. Martensittisk stål er herdet med varmebehandling og har magnetiske egenskaper.
Ferritisk
Denne type stål har et krominnhold mellom 10.5 og 18 % og et forholdsvis lavt karboninnhold. Stålet er ikke varmebehandlet. Det er et magnetisk stål med god duktilitet og formbarhet, men har forholdsvis dårlig styrke ved høye temperaturer.
Austenitisk
Når nikkel tilsettes stålet forandrer det struktur fra ferrittisk til austenitisk. Dette er den mest brukte legeringen og mer enn 70 % av all produksjon av rustfritt stål er austenitisk. Stålet består av omtrent 18 % krom og 8 % nikkel. Dette gir det austenitiske stålet gode egenskaper mot korrosjon. Videre er ikke stålet herdet ved varmebehandling og har ikke-magnetiske egenskaper.
17 Duplex
Duplex stål er en blanding av ferrittisk og austenitisk stål. Den mest ideelle blandingen er 50/50, men 40/60 er også vanlig. Dette gir det en struktur med gode egenskaper innen både formbarhet og styrke. Sammenliknet med austenitisk stål har den et forholdsvis høyt krom- og molybdeninnhold (18 – 28 % krom), mens den har et lavere nikkelinnhold (4.5 – 8 %).
Dette gjør den både sterkere og mer korrosjonsmotstandsdyktig, spesielt mot pitting.
I den senere tid er det også satt fokus på en annen type av rustfritt stål: lavnikkel duplex, lean duplex. Denne inneholder mindre nikkel slik at det blir billigere å produsere stålet, men nok til at det opprettholder den gode korrosjonsmotstanden til duplex stål. Det blir imidlertid produsert lite av denne typen stål.
Av de fire tidligere nevnte hovedgruppene er det to som egner seg som armering; austenitisk og dupleks. I tabell 4.1 er det samlet de meste relevante. Denne viser en oversikt over de ulike ståltypene og deres kjemiske sammensetning. De legeringene som vil inngå i våre målinger er fremhevet.
18
Tabell 4.1 Oversikt over relevante stållegeringers kjemiske sammensetning /6/
19 4.2.1 Klassifisering
Det finnes ulike standarder for klassifisering av rustfritt stål. Vi nevner blant annet The American Iron and Steel Institute (AISI), den tyske (DIN) og den franske klassifiseringen. I 1996 ble man enige at det var behov for en uniform måte å klassifisere på. Den nye Europeiske Standarden (EN 10088-1) ble så laget. Denne har i prinsippet adoptert den franske og tyske metoden. I vår oppgave vil vi forholde oss til denne standarden.
Dette klassifiseringssystemet kan lettest forklares med et eksempel hentet fra NonCor- rapporten /6/:
Materialnummer: 1,4436
Komponentene i materialnummeret står for følgende:
1 betegner at det er stål.
44 betegner at det hører til en gruppe av rustfritt stål.
36 betegner den individuelle materialidentifikasjonen innenfor gruppen av rustfritt stål.
Materialnavn: X3CrNiMo 17-13-3 X betegner at det er en høy stållegering.
3 betegner 100 ganger karboninnholdet (her altså 0,03 %) CrNiMo er de kjemiske symbolene av hovedlegeringene.
17-13-3 er prosentvis fordeling av de overstående hovedlegeringene.
Dette systemet har imidlertid noen svakheter da det ikke får med legeringer med lavt prosentinnhold av enkelte grunnstoffer. Et eksempel kan være nikkel som har liten prosentandel i forhold til de øvrige stoffene, men som er veldig viktig for materialegenskapene til stålet. For å fange opp virkningene av disse finnes det verdier av typen Pitting Resistance Equivalent Number (PREN). Dette utrykket kan betraktes som en relativ målemetode for den totale motstand mot pittingkorrosjon ved ulike grader av rustfritt stål. PREN-verdiene viser til stål direkte utsatt for korrosivt miljø og vil derfor ikke være helt representativt for armering omsluttet av betong. Men dette gir oss likevel en mulighet til å sammenligne de ulike legeringers motstand mot pitting.
Vi har tideligere nevnt at noen grunnstoffer som krom, nikkel og molybden kan øke korrosjonsmotstanden. Men ser man på tabell 4.1 er ikke et høyt innhold av ett eller flere av disse stoffene nok til å gi en høy PREN-verdi. Det er altså sammensetningen eller balansen mellom stoffene som er viktig.
I en rapport fra Statens vegvesen /9/, vises det til en metode for beregning av PREN-verdien.
Det skilles her mellom austenitisk og duplex stål.
20 For austenitisk stål:
PREN = %Krom + 3,3 * %Molybden + 16 * %Nitrogen For duplex stål:
PREN = %Krom + 3,3 * %Molybden + 30 * %Nitrogen
Merk at jo høyere PREN-verdien er, jo høyere blir motstanden mot pittingkorrosjon
21 4.3 Mekaniske egenskaper
Det mest brukte armeringsstålet er B500NC. NS 3576 – del 3 /10/ er en standard som inneholder krav til de mekaniske egenskapene til dette stålet.
Vi vil hente informasjon fra ulike kilder for å finne en oversikt over materialegenskapene til de ulike stållegeringer av rustfritt stål, for å se om disse ståltypene har tilsvarende egenskaper som B500NC.
4.3.1 Flytegrense og strekkegenskaper
En forskjell på sort armering og rustfri armering er at sistnevnte ikke har noen markert flytegrense. Dette kan illustreres ved å sammenlikne arbeidsdiagrammene, figur 4.1. Figuren til venstre viser et typisk diagram for sort stål. Figuren til høyre viser et diagram for armering uten markert flytegrense, f. eks rustfritt stål.
Figur 4.1 /9/ Til venstre: arbeidsdiagram for stål med markert flytegrense.
Til høyre: arbeidsdiagram for stål uten markert flytegrense
Dersom det ikke finnes noen klar flytegrense brukes i stedet kravet til grensespenningen Rp0,2. Denne viser til spenningen ved 0,2 % ikke-proporsjonal forlengelse.
I følge NS 3576 – del 3 punkt 7.1.2 /10/ skal Rp,02 være større eller lik 500 MPa.
Figur 4.2 er hentet fra NonCor-rapporten og viser en spenning – tøyningskurve for ulike legeringer av rustfritt stål ved romtemperatur.
22
Figur 4.2 Spennings/tøyningskurve for stål av ulike legeringer /6/
Vi minner her på, at av de fire tidligere nevnte hovedgruppene, er det kun austenitisk stål (mørk blå) og duplex stål (gul) som egner seg som armering.
Vi ser av figur 4.2 at austenitisk og duplex stål viser tidlig tegn til plastisk deformasjon, og øker tøyningen ved økende last. For at legeringer av rustfritt stål skal holde kravene til armering for bruk i betong, B500NC, er det behov for tiltak som kan øke spenningen. Det er da vanlig at stålet blir kald- eller varmbearbeidet. Dette øker grensespenningen til ønsket nivå.
Videre slås det fast i rapporten at det er behov for ytterligere dokumentasjon for å avgjøre om rustfritt stål tilfredsstiller kravet til øvre flytegrense; 650 MPa. Dette synes nemlig vanskelig å oppfylle for armeringsjern med mindre diameter enn 16 mm.
4.3.2 Duktilitet
Når det gjelder kravet til duktilitet viser rapporten til opplysninger gitt av Arminox, som er en sentral leverandør av rustfritt stål. Her slår de fast at duktilitetskravene vil være mulig å tilfredsstille. Vi har undersøkt i NS 3576 del – 3 /10/ for å se hva det innebærer. Verdiene vi da fant er som følger:
Grensetøyning, Agt [%]: 6-14 mm: ≥7 14-40 mm: ≥8 Rm / Rp0,2 : 6-14 mm: ≥1.12 14-40 mm: ≥1.15
23 Tabell 4.2 er hentet fra NonCor-rapporten og viser et sammendrag av materialegenskaper til aktuelle ståltyper:
Tabell 4.2 Sammendrag av aktuelle ståltypers materialegenskaper /6/
Legering Dim.
[mm]
Rp0,2 [N/mm2] Rm [N/mm2] Agt [%] Rm / Rp0,2
1.4301 3-16 ≥550 ≥600 ≥5 ≥1.10
Kald-
bearbeidet 1.4436 3-16 ≥550 ≥600 ≥5 ≥1.10
1.4301 20-40 ≥500/≥550 ≥700 ≥5 ≥1.10
1.4436 20-32 ≥500/≥550 ≥700 ≥5 ≥1.10
Varm- bearbeidet
1.4462 20-50 ≥500/≥550 ≥700 ≥5 ≥1.10
Rm = Strekkfasthet
Rp0,2 = Grensespenning ved 0,2 % ikke-proporsjonal forlengelse Agt = Grensetøyning ved maksimal spenning/strekkfasthet, Rm.
4.3.3 E-modul
E-modulen er, i tillegg til å være lik for alle aktuelle legeringene, også lik som vanlig sort stål;
Esk = 200 000 N/mm2.
4.3.4 Temperaturegenskaper
Sort stål opplever et betydelig styrketap ved høye temperaturer over 500 ºC, og lave temperaturer under 0 ºC. Dette gjelder derimot ikke for rustfritt stål. Austenitisk stål tåler temperaturer mye høyere enn 500 ºC, og mye lavere enn 0 ºC. Det antas at denne legeringen tåler en temperatur ned i -196 ºC. Dette medfører at betongkonstruksjoner med denne typen stål er bedre rustet mot norsk natur med tunge laster vinterstid, samt mot brann.
Videre vises det i tabell 4.3, hentet fra NonCor-rapporten, at temperaturutvidelseskoeffisienten er noe høyere for rustfritt stål enn både karbonstål og betong.
Tabell 4.3 Tetthet og utvidelseskoeffisient for ulike legeringer /6/
Ståltype Tetthet [kg/m3] Utvidelseskoeffisient [10-6/ºC]
Sort stål 8000 12
1.4301 7900 16
1.4436 8000 16
1.4462 7800 13
24 Selv om denne koeffisientforskjellen ikke er neglisjerbar blir den derimot ikke regnet som et problem. Grunnen til det er at utvidelseskoeffisienten til betong er avhengig av betongsammensetningen og vil variere veldig med ulike typer tilslagsmaterialer. Rapporten fra Statens veivesen /9/ slår fast at det ikke er kjent at den varierende temperaturutvidelseskoeffisienten har medført problemer for betongkonstruksjonen.
Vi ser også av tabell 4.3 at tettheten varierer noe, men dette er av ingen betydning for praktiske formål, annet enn ved spesifikke tyngdeberegninger.
4.3.5 Utmatting
Når det gjelder utmattingsegenskaper har rustfritt stål tilsvarende egenskaper som tradisjonell sort armering.
4.3.6 Betongkvalitet
Med tradisjonell sort armering bestemmes som regel betongkvaliteten ut fra konstruksjonens miljøeksponering. Grunnet rustfritt stål sine gode egenskaper i korrosjonsømfintlig miljø velges imidlertid betongkvaliteten, for konstruksjoner med denne type stål, i hovedsak basert på krav til dimensjonering og kapasitetsbehov. Dette medfører at betongen i større grad kan tilføres de kvalifikasjonene som er ønsket. For eksempel med tanke på herding, støpbarhet, kostnader og lignende.
4.3.7 Rissvidde
Riss er avhengig av sammensetningen mellom betongens mengde, styrke og fordeling av armering. I tillegg spiller overdekning og hovedarmeringens spenning en stor rolle. Dagens krav til rissviddenes størrelse er strenge og medfører store mengder armering, mer enn det som er optimalt etter andre forhold. Blant annet kan det være vanskelig å komprimere betongen på en skikkelig måte. Noe som igjen kan føre til dårlig kvalitet på overdekningen, og redusere betongkonstruksjonens varighet. Teoretisk sett kan rissviddenes størrelse med rustfri armering være ubegrenset dersom det kun tas hensyn til korrosjon. Dette er selvfølgelig umulig og det er flere grunner til det. Den viktigste er at betongen må beholde sin evne til å overføre krefter i risset. En annen grunn er den synlige aksepterte grense for riss. Rissvidden kan ikke være for stor da den kan få brukere av konstruksjonen til å føle seg utrygge. I følge NonCor ligger kravet til rissvidder for vanlig sort armering på omtrent 0.10 – 0.20 mm.
Videre nevnes det at i enkelte standarder ligger denne grensen på 0.3 – 0.4 mm. Dette tilsvarer kravet NS3473 stiller til lite korrosjonsømfintlig armering i konstruksjoner med 100 års levetid. Det vil dermed være nærliggende å tro at rustfri armering kan prosjekteres med dette kravet til rissvidder.
25 4.3.8 Overdekning
Overdekningen har betydning for tre forhold:
1. Sikre at armeringen kan overføre krefter ved skjøting og forankring 2. Beskytte armeringen mot inntrengning av klorider og karbonatisering 3. Beskytte armeringen mot varme ved brannbelastning
En av disse vil være dimensjonerende for hvor mye overdekning konstruksjonen trenger.
For å finne dimensjoneringsregler for disse tre forholdene har vi henvendt oss til ulike utredninger; NS 3473 /11/, Eurocode 2 /12/, rapport fra NonCor /6/, rapporten fra Statens vegvesen /9/ og Håndbok 185 Prosjekteringsregler for bruer /13/.
1. Sikre at armeringen kan overføre krefter ved skjøting og forankring:
Heftegenskapene, og dermed også forankringslengder og omfaringsskjøt, er de samme for rustfritt som for vanlig stål. Ser vi på NS 3473 /11/ står det i punkt 17.1.7; av hensyn til heft/forankring skal betongoverdekningen ikke være mindre enn gitt i tabell 15.a, her tabell 4.4.
Tabell 4.4 Minimumsoverdekning av hensyn til heft/forankring /11/
Type armering Minimum overdekning
Ordinær armering ø
Ordinær armering, bunter øekv
Spenntau 2ø
Kabelkanaler Den minste av ø og 80mm
Tilsvarende finner i Eurocode 2 /12/ punkt 4.4.1.2 tabell 4.2, her tabell 4.5:
Tabell 4.5 Minimumsoverdekning av hensyn til heft/forankring /12/
Bond Requirement
Arrangement of bars Minimum cover cmin,b
Separated Diameter of bar (ø)
Bundled Equivalent diameter (øekv)
NonCor hevder at overdekningen, dersom det kun tas hensyn til heft, kan settes til 30 mm pluss en toleranse på 5 mm, altså en minimum overdekning på 35 mm
2. Beskytte armeringen mot inntrengning av klorider og karbonatisering:
Tradisjonelt dimensjoneres overdekningen etter konstruksjonens miljøpåvirkning, deriblant eksponeringsgrad av klorider. En av grunnene til overdekningskravet er for å sikre konstruksjonenes motstand mot inntregning av klorider.
26 NonCor slår fast at det ikke trengs ekstra overdekning grunnet miljøpåvirkning, dersom det kun brukes rustfri armering i konstruksjonen. Dersom rustfritt og sort stål brukes sammen må det imidlertid tas hensyn dette.
Eurocode 2 viser til at det må tas hensyn til miljøpåvirkningen ved bestemmelse av overdekning, men det er gitt mulighet for å minske kravet ved bruk av rustfri armering. I punkt 4.4.1.2 (7) viser de til en reduksjonsverdi, Δcdur,st, som kan vurderes dersom det blir brukt rustfri armering. Verdien av denne skal bestemmes etter det nasjonale tillegget NA. I et utkast fra NA står det: ”Verdien av Δcdur,st settes normal lik 0, avhengig av stålets edelhet kan det benyttes høyere verdier basert på metoder gitt i spesiallitteratur, men ikke
større enn 15mm.” For å bestemme om, og eventuelt hvor mye, overdekningen kan reduseres etter norske regelverk viser vi til statens vegvesen sine resonnementer. De mener at det kan argumenteres for å benytte overdekningskravet i NS 3473 med 50 års levetid istedenfor 100 som er vanlig ved prosjektering av broer. Viser i denne sammenheng til tabell 15.b i NS 3473, her tabell 4.6.
Tabell 4.6 Minimumsoverdekning av hensyn til korrosjonsbeskyttelse /11/
Denne tabellen viser at dette tilsvarer en reduksjon på 10 mm, og vi er dermed innenfor kravet i Eurocode 2 på maks 15 mm.
Videre ser rapporten fra vegvesenet på andre muligheter for reduksjon av overdekning grunnet bruk av rustfri armering. De tar utgangspunkt i det anbefalte regelverket for dimensjonering av bruer: Håndbok 185 Prosjekteringsregler for bruer /13/. Generelt er kravene til overdekning strengere i Hb 185 enn i NS 3473. I rapporten åpner Statens vegvesen for at overdekningskravet i Hb 185 kan reduseres til NS 3473-nivå, ved bruk av rustfri armering.
Viser i denne sammenheng til tabell 15.b – Minimumsoverdekning av hensyn til korrosjonsbeskyttelse fra NS 3473, her tabell 4.6 og tabell 26 – Minimumsoverdekning fra Håndbok 185, her tabell 4.7.
27
Tabell 4.7 Minimumsoverdekning av hensyn til korrosjonsbeskyttelse /13/
28 Sammenligner man disse tabellene finner en ut hvor mye overdekningen i Håndbok 185 kan reduseres. Denne reduksjonsverdien vil altså variere for de ulike miljøklassene.
Videre sier også Håndbok 185 punkt 5.2.6.2.8 sier at dersom det benyttes rustfri armering kan minimumskravene til overdekning i tabell 26 halveres.
I tillegg viser HB 185 punkt 5.2.6.2.3 til et minimum avvik på +/- 20 mm for minimumsoverdekning større enn 70 mm og +/- 15 mm avvik for minimumsoverdekning mindre enn 70 mm, men kan reduseres til +/- 10 mm for alle overdekninger, ved bruk av rustfri armering
3. Beskytte armeringen mot varme ved brannbelastning:
Overdekningskravet for beskyttelse mot brann er det samme for rustfri som for vanlig armering. I følge lærerboken i betongkonstruksjoner /14/ punkt 7.2.1 er kravet til overdekning av hensyn til brannmotstand i prinsippet et dimensjoneringsspørsmål, og ikke medtatt i NS 3473 kapittel 17. Det henvises videre til forenklede regler for branndimensjonering, som angir minste armeringsdybde, i Tillegg B i NS 3473. Dimensjoneringsregler for brann er også å finne i Eurocode 2 del 1-2.
29 4.4 Selektiv bruk
Rustfri armering kan erstatte vanlig armering fullstendig eller i kun enkelte deler av konstruksjonen. Dette kalles selektiv bruk og bestemmes ut fra konstruksjonenes eksponeringsbetingelser. I rapporten fra Statens vegvesen har vi hentet følgende tabell:
Tabell 4.8 Anbefalt armeringskvalitet ved ulike bruksområder /9/
Eksponeringsbetingelser Stållegering iht. NS-EN 10088 Armering av rustfritt stål innstøpt i betong med normal
eksponering for klorider i UK bjelker, kantbjelke, tverrbærere, fuger og underbygning
1.4301 Som over, men hvor det av bestemte årsaker er nødvendig å
øke krav til bestandighet 1.4436
Direkte eksponering for klorider og kloridholdige vann, for eksempel dybler, bolter og andre komponenter som bryter betongflaten.
1.4429 1.4436
I tillegg til legeringene i denne tabellen har vi benyttet oss av 1.4462, duplex stål. Denne legeringen kan erstatte de øvrige legeringene i konstruksjonsdeler som er særlig eksponert.
Dersom det ønskes selektiv bruk av armering er det viktig å ta hensyn til overdekningsbehovet til de ulike ståltypene.
NonCor-rapporten foreslår at rustfri armering kan byttes ut med vanlig armering etter dagens regelverk forutsatt tilfredsstillende dokumentasjon.
4.4.1 Kobling av karbon armering og rustfri armering
Det har vært bekymring for at det kan føre til galvanisk korrosjon av karbon stålet dersom vanlig armering kobles sammen med rustfri armering. Men det viser seg at bruk av rustfritt stål sammen med sort stål ikke fører til økt fare for korrosjon av karbon stålet. Når armering korroderer, tar anodiske og katodiske prosesser plass på forskjellige steder på armeringen som fører til en makrocelle. Dette kan skje mellom aktive og passive områder på armeringen.
Strømmen går mellom anoden som er mindre edelt, til katoden som er mer edelt. Dette akselererer korrosjonen ved anoden, og forsterker det passive området. Den mest vanlige form for makrocelle er den som formes når det ytre laget av armering er depassivert på grunn av for eksempel for høyt innhold av klorider og de indre armeringsjernene er passive. Når karbon armering er koblet sammen med rustfri armering i betong, og de begge er passive, vil ikke makrocelleaktivitet være et problem, da de begge har omtrent det samme frie korrosjonspotensialet. I dette miljøet er karbon stålet også noe mer edelt enn det rustfrie stålet.
Det er når karbon armeringen har begynt å korrodere før kobling med rustfri armering at
30 makrocelle aktiviteten kan bli et problem. Men rustfri armering er en veldig dårlig katode, noe som gjør at rustfri armering vil minimere mulige problemer som kan komme ved å koble passive og aktive områder. Ved sammenkobling av rustfri armering og vanlig armering vil det ikke være særlig økning av korrosjonshastigheten. Mens det for sammenkobling av og vanlig armering med passiv vanlig armering kan det virke som det vil være en økning av korrosjonshastigheten /6/.
31
5 Beskyttelse og reparasjon av betong
Dersom ikke annet er angitt er opplysninger under kapittel 3 hentet fra lærerboka i betongteknologi, Bestandighet, vedlikehold og reparasjon av betongkonstruksjoner /1/.
5.1 Reparasjon av betong
For betong som er skadet på grunn av armeringskorrosjon finnes det ulike metoder for å reparere konstruksjonen. Reparasjon av skadet betong kan skje ved mekanisk reparasjon eller elektrokjemiske vedlikeholds- og reparasjonsmetoder. Reparasjoner av en konstruksjon må oppfylle følgende krav:
• Stanse nedbrytningen
• Opprettholde og/eller gjenvinne bæremessige egenskaper
• Gi en estetisk akseptabel overflate.
5.1.1 Mekanisk reparasjon
Ved mekanisk reparasjon tar man bort korrosjonsårsaken ved å fjerne betong som inneholder klorider over en viss grense. All dårlig betong skal fjernes ved mekanisk reparasjon, og både synlige og usynlige skader må bort. Hva som er skadeårsak har mye å si for mye betong som må bort. Er mekanisk reparasjon forarbeid for elektrokjemiske metoder, slipper man gjerne unna med å bare fjerne løs betong. Ved kloridinntrengning avhenger meislingskriteriet av hvor store mengder klorider det er i betongen.
5.1.2 Elektrokjemiske vedlikeholds- og reparasjonsmetoder
Elektrokjemiske vedlikeholds- og reparasjonsmetoder er metoder som er blitt utviklet for å vedlikeholde og reparere konstruksjoner utsatt for armeringskorrosjon uten å måtte foreta store fysiske inngrep som kan påvirke konstruksjonens stabilitet. Disse metodene vil ikke gjenvinne styrke som er gått tapt under korrosjonsangrepet, men de stanser nedbrytningen og konstruksjonens gjenværende styrke og funksjonsdyktighet opprettholdes.
Det er tre aktuelle metoder:
1. katodisk beskyttelse
2. elektrokjemisk realkalisering 3. elektrokjemisk kloriduttrekk
Ved katodisk beskyttelse får armeringen et potensial som gjør at den ikke korroderer. Ved elektrokjemisk realkalisering og kloriduttrekk blir miljøet i betongen endret fra korroderende til korrosjonsbeskyttende. Ved bruk av elektrokjemisk realkalisering gjenvinnes betongens høye alkalitet, mens ved kloriduttrekk fjernes kloridene fra betongen.
32 Ved disse metodene blir strøm levert fra en likeretter ved hjelp av en ytre elektrode, en anode, til armeringen som fungerer som katode.
Når korrosjonsangrepet er på grunn av klorider er situasjonen svært komplisert. Tabell 5.1 og 5.2 gir anvisninger for behandling av armeringskorrosjon ved metodene mekanisk reparasjon, kloriduttrekk og katodisk beskyttelse. Tabell 5.1 vurderer skadesituasjonens betydning.
Tabell 5.1 Skadesituasjonens betydning for reparasjonsmetodene /2/
Skadesituasjon Mekanisk reparasjon
Kloriduttrekk Katodisk beskyttelse Innblandede klorider Medfører stort
meisleomfang og bæremessige problemer
Vil ikke kunne fjerne kloridene fra
midtsjiktet i konstruksjonen
Godt egnet.
Inntrengte klorider.
Stort omfang av synlige skader
Dersom reparasjonen får konsekvenser for konstruksjonens bæreevne må det utvises forsiktighet
Synlige skader må repareres før behandling. Kan medføre at mekanisk reparasjon
foretrekkes av økonomiske årsaker.
Synlige skader må repareres før påføring av overflatedekkende anoder. Kan medføre at mekanisk
reparasjon foretrekkes av økonomiske årsaker.
Inntrengte klorider.
Lokale synlige skader.
Godt egnet hvis omfanget av skjult armeringskorrosjon er lite
Godt egnet hvis omfanget av skjult armeringskorrosjon er stort.
Godt egnet hvis omfanget av skjult armeringskorrosjon er stort.
Jevn klorid- inntrengning til armering på store flater.
Medfører stort meisleomfang
Godt egnet. Kan benyttes.
Kraftig
pittingkorrosjon
Krever spesiell oppmerksomhet i forbindelse med rengjøring av armering.
Krever ingen spesielle forholdsregler.
Medfører ujevnt strømbehov og fare for lokal
overbeskyttelse.
33 Tabell 5.2 vurderer betydningen av konstruksjonsmessige forhold.
Tabell 5.2 Konstruksjonsmessige forhold på reparasjonsmetodene /2/
Konstruksjons- messige forhold
Mekanisk reparasjon
Kloriduttrekk Katodisk beskyttelse Spennarmering uten
hylse (oftest føroppspent)
Lite forsvarlig å frilegge
spennarmering ut fra statiske årsaker.
Må ikke benyttes. Kan medføre hydrogensprøhet på spennarmeringen.
Spennarmering med hylse (oftest
etteroppspent)
Lite forsvarlig å frilegge
spennarmering ut fra statiske årsaker.
Kan benyttes. Krever grundige
forundersøkelser.
Kan benyttes. Krever grundige
forundersøkelser.
Dårlig armerings- kontinuitet
Ingen betydning. Armerings- kontinuitet er nødvendig og må etableres. Kan øke kostnadene for denne metoden betraktelig.
Armerings- kontinuitet er nødvendig og må etableres. Kan øke kostnadene for denne metoden betraktelig.
Spredt
armeringsføring
Ingen betydning Gir dårlig effekt av behandlingen.
Ingen betydning.
Store områder med
inhomogen betong Ingen betydning Uheldig mhp strømfordeling.
Krever
spesialtilpasninger som vil øke
kostnadene.
Uheldig mhp strømfordeling ved bruk av
overflatedekkende anoder. Krever spesialtilpasninger som vil øke
kostnadene.
34 5.2 Beskyttelse mot armeringskorrosjon
I noen tilfeller kan det være nødvendig med ekstra beskyttelse mot armeringskorrosjon.
Beskyttelse mot klorider er veldig viktig for spesielt utsatte konstruksjoner som for eksempel broer og kaier. Beskyttelsen kan gjelde armeringen, eller betongen, for å hindre klorider å trenge inn til armeringen. Erfaringen med klorider er at når kloridbelastningen er stor, kan klorider trenge inn selv i betong som holder høy kvalitet.
I tillegg til betongkvalitet, betongoverdekning og rustfri armering, finnes det ulike tiltak for å hindre eller utsette armeringskorrosjon på grunn av inntrengning av klorider:
• Katodisk forebygging
• Inhibitorer
• Overflatebehandling av betong
• Ikke-metallisk armering
• Korrosjonsmotstandig stål armering (ikke rustfritt stål)
I de neste underkapitlene sier vi litt om noen av disse metodene for å redusere korrosjonsrisikoen /6/
5.2.1 Katodisk forebygging
Ved denne metoden styrkes passiviteten til karbon armering. Dette skjer ved at en påtrykker en svak elektrisk strøm til armeringen ved hjelp av elektroder innstøpt i betongen. Ved katodisk beskyttelse av armeringen vil ikke armeringskorrosjon forekomme, selv ikke i svært aggressive miljøer. Strømmen tilføres før klorider har nådd stålet og det har oppstått korrosjon, gjerne like etter bygging. Ved katodisk forebygging presses stålets potensial i negativ retning slik at korrosjon ikke kan starte.
Ved installasjon av denne metoden ved senere tid enn ved bygging, vil katodisk forebygging bare kunne stoppe videre korrosjon. Det vil heller ikke skje noen gjenoppretting av tapt stål.
En bør derfor starte forebyggingen med en gang en ser behovet for det. Denne metoden krever overvåking av installasjonene gjennom hele konstruksjonens levetid. Dette gjør at påliteligheten til denne metoden kan synke noe i løpet av konstruksjonens levetid som gjerne er på 50 til 100 år /6/.
Katodisk forebygging blir gjerne tatt i bruk på nye konstruksjoner hvor det er forventet at armeringskorrosjon vil starte i løpet av prosjektert levetid uten spesielle tiltak.
35 5.2.2 Inhibitorer
Korrosjonsinhibitorer er kjemiske forbindelser som selv i små mengder virker nedsettende på korrosjonshastigheten. For at de skal kunne forsinke initieringen av armeringskorrosjon må man være sikker på at det blir tilsatt tilstrekkelig mengde av inhibitoren i betongen.
Inhibitorer brukt i betong klassifiseres vanligvis som:
• Adsorpsjonsinhibitorer som virker enten på anode- eller katodereaksjonen eller begge.
• Filmdannende inhibitorer som mer eller mindre fullstendig blokkerer overflaten.
• Passiverende inhibitorer som virker passiverende på armeringen.
Den mest brukte og undersøkte inhibitoren er nitritt. Dette er en passiverende inhibitor. Men på grunn av bekymring om giftigheten av nitritt og følger av dette, betong kan for eksempel bli klassifisert som problemavfall ved riving, er den lite brukt i Europa. I stedet er det utviklet organiske inhibitorer. Disse er filmdannende eller adsorpsjonsinhibitorer.
Levetiden for en betongkonstruksjon er som sagt delt inn i en startfase og en utviklingsfase, dette er vist i figur 3.1. For en inhibitors innvirkning på betongen kan samme figur brukes, se figur 5.1. Startfasen er hvor lang tid det tar for klorider å nå armeringen og stålet blir depassivert. Lengden på utviklingsfasen bestemmes av korrosjonshastigheten (a).
Korrosjonsinhibitorer kan virke på to måter:
• Inhibitoren forlenger startfasen og utsetter tidspunktet for korrosjon (b)
• Inhibitoren reduserer korrosjonshastigheten og forlenger tiden til akseptgrensen nåes (c).
Inhibitorer som forlenger startfasen er de mest pålitelige.
Figur 5.1 Levetid ved vedlikehold av en betongkonstruksjon
Bruk av inhibitorer blandet inn i betongen i passende mengder kan utsette starttidspunktet for korrosjon. Det er ikke påvist at inhibitorer kan redusere korrosjonshastigheten dersom korrosjon alt har startet. Tar man i bruk inhibitorer som supplerende tiltak mot korrosjon, må
